第五章 桥梁基桩检测技术教材

1.概述灌注桩的质量检测格外重要。目前工程中常用的钻孔灌注桩质量的检测方法主要分为两大类：基桩承载力检测和基桩完整性检测第五章桥梁灌注桩检测技术关于基桩承载力检测

承载力检测的方法有静荷载试验法、高应变法、动参数法、机械阻抗法(稳态、瞬态和随机激振)、水电效应激振频谱法和共振法。静荷载试验法称之为静力检验法，其它方法均称之为动力检验法。国内外工程实践证明，用静力检验法测试单桩竖向承载力，尽管有很多不利的因素，但还是不可替代的，其试验结果的可靠性也是无容质疑的。而对于动力检验法确定单桩竖向承载力，无论是高应变法还是低应变法，均是近几十年来国内外发展起来的新的测试手段，目前仍处于发展和继续完善阶段。基桩检测方法分类静载试验静载试验动载试验(大应变和小应变)另一类是灌注桩完整性检测。

灌注桩桩身完整性的检测方法主要有低应变法和超声波法，这两种方法优势独特，也正好弥补了静力检验法的不足。尤其是在大型的灌注桩工程中，不能也不可能在一个工程中做大量的静载试验。目前，在全国各地的桥梁建设中，桥梁桩基实行普查，有的地区采用反射波法，有的地区采用超声波法，也有的地区根据具体情况以上两种方法都采用，并规定了两种方法的使用比例。

2.超声波法和反射波法超声波法和反射波法以其设备轻便灵巧、现场工作量小、检测效率高、检测费用低等优点得到了广泛应用。2.1、超声法（CECS21:2000）超声波仪（1)超声波的基本概念①声波次声波0～20Hz

可闻声波20～20000Hz(语音70～800Hz；音乐20～18000Hz)

超声波20000～108Hz

特超声波>108Hz

混凝土检测2×104～50×104Hz

金属检测25×104～2000×104Hz②超声波在界面上的现象反射、折射、绕射、散射、波形转换等③超声波在混凝土里传播的特点：衰减快（2）超声波仪的基本原理和组成（3）对超声检测仪的技术要求①具有波形清晰、显示稳定的示波装置；②声时最小分度为0.1μs；③数字显示稳定，在2小时内数字变化应不大于±0.2μs；④具有最小分度为ldB的衰减系统；⑤接收放大器频响范围10～500kHz,总增益不小于80dB；接收灵敏度(在信噪比为3:1时)不大于50μV；⑥在温度为-10～+40℃、相对湿度小于或等于90%、电源电压在220V±10%(直流供电电压±55%)的环境下能正常工作；连续正常工作时间不少于4h。⑦对于数字式超声波检测仪还应满足下列要求：a.具有手动游标测读和自动测读方式；b.具有可显示、存储和输出打印数字化波形的功能；c.宜具有幅度谱分析功能(FFT功能)。

(4)对换能器的技术要求①根据不同的测试需要，换能器可具备两种类型，厚度振动方式和径向振动方式；②厚度振动方式换能器的频率宜选用20～250kHz；径向振动方式换能器的频率宜选用20～60kHz,直径不宜大于32mm,当接收信号较弱时，宜选用带前置放大器的接收换能器。③换能器的实测主频与标称频率相差应不大于±10%。对用于水中的换能器，其水密性应在1MPa水压下不渗漏。(5)设备使用前的检验(6)零读数问题()①直接相对法②长短测距法③标准试棒法④径向振动方式换能器声时初读数()的测量方法超声脉冲波检测混凝土缺陷的原理

①超声脉冲波在混凝土中遇到缺陷时产生绕射，可根据声时及声程的变化，判别和计算缺陷的大小；②超声脉冲波在缺陷界面产生散射和反射，到达接收换能器的声波能量(波幅)显著减小，可根据波幅变化的程度判断缺陷的性质和大小；③超声脉冲波中各频率成份在缺陷界面衰减程度不同，接收信号的频率明显降低，可根据接收信号主频或频率谱的变化分析判别缺陷情况；④超声脉冲波通过缺陷时，部分声波会产生路径和相位变化，不同路径或不同相位的声波叠加后，造成接收信号波形畸变，可参考畸变波形分析判断缺陷。检测方式

根据声测管埋置的不同情况，可以有如下三种检测方式：（1）双孔检测（2）单孔检测（3）桩外孔检测以上三种方式中，双孔检测是公路桥梁桩基检测中普遍采用的基本形式，其他两种方式只作为特殊情况下的补救措施。测前准备和要求

(1)预埋检测管

（2)现场检测前测定声波检测仪发射至接收系统的延迟时间，并应按下式计算声时修正值：

（3）在检测管内应注满清水。（4）将每2根检测管编为一组，并测量每一组检测管中心间的距离。检测方法

首先将装设有扶正器的接收及发射换能器置于检测管内，调试仪器的有关参数，直至显示出清晰的接收波形，且使最大波幅达到显示屏的三分之二左右为宜；

然后宜由检测管底部开始，将发射与接收换能器置于同一标高，测取声时、波幅或频率，并进行记录；

第三，发射与接收换能器应同步升降，测量点距20～40cm，各测点发射与接收换能器累计相对高差不应大于2cm，并应随时校正；发现读数异常时，应加密测量点距。检测数据的处理与桩身完整性判定

（1）概率法

（2）PSD判据法（3）波幅(衰减量)判据法波幅(衰减量)比声速对缺陷反应更灵敏，可采用接收信号能量平均值的一半作为判断缺陷临界值。波幅值以衰减器的衰减量q表示，波幅判断的临界值qd有下列关系：

---波幅临界值（dB）

---波幅平均值（dB）

1倍610倍20100倍40100万倍120桩身完整性类别判定

Ⅰ类桩：各声测剖面每个测点的声速、波幅均大于临界值，波形正常。Ⅱ类桩：某一声测剖面个别测点的声速、波幅略小于临界值，但波形基本正常。Ⅲ类桩：某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅值小于临界值，PSD值变大，波形畸变。Ⅳ类桩：某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅值明显小于临界值，PSD值突变，波形严重畸变。

2.2反射波法反射波法源于应力波理论，适用于检测桩身混凝土的完整性，推定缺陷类型及其在桩身中的位置，也可以对桩长进行校核，对桩身混凝土强度等级作出估计。基本原理：在桩顶进行竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，在桩身存在明显波阻抗界面(如桩底、断桩或严重离析等部位)或桩身截面积变化(如缩径或扩径)部位，将产生反射波。经接收、放大滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息。据此计算桩身波速、判断桩身完整性和混凝土强度等级。

反射波法检测系统检测方法

1.首先凿去被测桩桩头浮浆，平整桩头，切除桩头外露过长的主钢筋，将传感器稳固地安置在桩头上；2.然后检查仪器设备，进行激振方式和接收条件的选择试验，确定最佳激振方式和接收条件，设置有关参数；3.最后进行多次重复激振与接收，出现异常波形应在现场及时研究，排除影响测试的不良因素后再重复测试，重复测试的波形与原波形应具有相似性。

实测曲线分析与判定

（1）反射波波形规则，波列清晰，桩底反射波明显，易于读取反射波到达时间及桩身混凝土平均波速较高的桩为完整性好的单桩。（2）反射波到达时间小于桩底反射波到达时间，且波幅较大，往往出现多次反射，难以观测到桩底反射波的桩，系桩身断裂。（3）桩身混凝土严重离析时，其波速较低，反射波幅减少，频率降低。（4）缩径与扩径的部位可按反射历时进行估算，类型可按相位特征进行判别，同相为缩径，反相为扩径。（5）当有多处缺陷时，将记录到多个相互干涉的反射波组，形成复杂波列。此时应仔细甄别，并应结合工程地质资料、施工原始记录进行综合分析。有条件时尚可使用多种检测方法进行综合判断。（6）桩体浅部断裂的定性评价，可通过横向激振，比较同类桩横向振动特征之间的差异进行辅助判断。（7）在上述时域分析的基础上，尚可采用频谱分析技术，利用振幅谱进行辅助判断。（8）桩身混凝土的强度等级可依据波速来估计。波速与混凝土抗压强度的换算系数，应通过对混凝土试件的波速测定和抗压强度对比试验确定。桩身完整性类别

Ⅰ类桩：桩端反射较明显，无缺陷反射波，振幅谱线分布正常，混凝土波速处于正常范围。

Ⅱ类桩：桩端反射较明显，但有局部缺陷所产生的反射信号，混凝土波速处于正常范围。

Ⅲ类桩：桩端反射不明显，可见缺陷二次反射波信号，或有桩端反射但波速明显偏低。

Ⅳ类桩：无桩端反射信号，可见因缺陷引起的多次强反射信号，或按平均波速计算的桩长明显短于设计桩长。

3．反射波法和超声波法比对检测

反射波法和超声波法目前在全国应用都比较普遍，但由于各地的地质条件不同、桩长桩径变化较大、加之对这两种方法的优缺点认同度差异，各地采用这两种方法比例差别较大。比较典型桩的测试分析结果

报告格式及内容见JTG/TF81-01-2004工程名称渭南桩基检测基地桩

编

号5测试桩长13.4m设计桩径0.6m砼

标

号C20灌注日期年

月

日检测日期2005年

04月15日地质概况

0～15m,粘土；实测反射波曲线波形分析

桩身完整，桩底反射明显，混凝土质量良好，与超声法检测结果基本一致。备

注

标准试验桩，反射波形也比较标准。表1反射波法检测曲线分析表工程名称长安大学桥梁实验室试验桩桩

编

号1#测试桩长14.50m设计桩径1.40m砼

标

号C25灌注日期2001年

06月

08日检测日期2005年04月16日地质概况

0～16.00m粘土；实测反射波曲线波形分析

桩身完整，桩底反射明显，混凝土质量良好，与超声法检测结果基本一致。备

注

标准试验桩，反射波形也比较标准。表2反射波法检测曲线分析表工程名称长安大学桥梁实验室试验桩桩

编

号2#测试桩长15.10m设计桩径1.40m砼

标

号C25灌注日期2001年

06月

08日检测日期2005年04月16日地质概况

0～16.00m,粘土；实测反射波曲线波形分析

桩身完整，桩底反射明显，在7.8处桩身有缩径反射信号（预埋砂袋），混凝土质量良好，超声法未检测出缩径，其他二者检测结果基本一致。备

注

标准试验桩，反射波形也比较标准；对于轻微缩径（当缩径范围在声测管之外时），超声法不能检测出。表3反射波法检测曲线分析表工程名称郑少高速公路N0.9标石淙河桥桩

编

号5-8测试桩长29.5m设计桩径1.4m砼

标

号C25灌注日期2002年

05月

20日检测日期2002年06月15日地质概况

0～30m,砂卵石；实测反射波曲线波形分析

该桩超声波法检测结果为：“在8.7m～9.3m之间，3#管周围裹夹泥砂，缺陷面积占桩基横截面面积的37.1%”，反射波法在该位置有反射信号，但桩底无明显反射信号。备

注当缺陷位置比较浅时，反射波法能检测出缺陷的存在，但对缺陷程度的定量分析很难，只能定性给出，同时也不能确定缺陷所在断面的方位。表4反射波法检测曲线分析表工程名称郑少高速公路N0.9标石淙河桥桩

编

号5-5测试桩长28.0m设计桩径1.4m砼

标

号C25灌注日期2002年

05月

20日检测日期2002年06月15日地质概况

0～30m,砂卵石；实测反射波曲线波形分析

该桩超声波法检测结果为：“在18.5m～19.1m之间，2#管周围混凝土离析，缺陷面积占桩基横截面面积的41.1%”，但反射波法在该位置和桩底均无明显反射信号。备

注

当缺陷位置比较深、且地质条件比较复杂时，反射波法对缺陷很难反映出来。表5反射波法检测曲线分析表工程名称郑少高速公路寺泉沟中桥桩

编

号0-2-3测试桩长12.0m设计桩径1.2m砼

标

号C25灌注日期2002年06月24日检测日期2002年08月20日地质概况大卵石土层。实测反射波曲线波形分析

该桩超声波法检测结果为Ⅰ类桩；反射波法检测结果为桩底反射信号较明显，桩身中部有轻微缺陷反射信号。备

注同一工地桩的反射波的形状基本相似。表9反射波法检测曲线分析表工程名称郑少高速公路寺泉沟中桥桩

编

号1-2测试桩长15.50m设计桩径1.2m砼

标

号C25灌注日期2002年08月08日检测日期2002年08月20日地质概况大卵石土层。实测反射波曲线波形分析

该桩超声波法检测结果为Ⅲ类桩，桩身在6.7-9.5m之间全断面裹夹泥砂蜂窝；反射波法检测结果为桩身在7.0、9.8m处有缺陷反射信号，桩底反射信号不明显。备

注该桩反射波形比较复杂，多处反射信号很难判定，现场应结合地质资料、施工记录综合分析，否则容易误判。表10反射波法检测曲线分析表寺泉沟中桥1-2桩在7.3～8.1m处取出的芯样

工程名称新郑高速公路刘江互通式立交桥桩

编

号7-5测试桩长55.50m设计桩径1.5m砼

标

号C30灌注日期2002年07月07日检测日期2002年08月23日地质概况1.00-12.30m，亚粘土；12.30-14.20m，亚砂土；14.2-24.0m，细砂；24.0-37.20m，中砂；37.20-41.80m，亚粘土；41.80-52.00m，中砂；52.0-60.00m，细砂；60.0-61.80m，亚粘土；61.80-65.00m，中砂。实测反射波曲线波形分析

该桩超声波法检测结果为Ⅲ类桩，桩身在6.0-10.0m处有离析、夹泥等缺陷；反射波法检测结果为桩底无反射信号，桩身8.0m左右有明显缺陷反射信号。备

注

将该桩反射波信号与同工地正常桩反射波信号比较，可明显看出该桩质量较差，桩身上部有缺陷存在。表11反射波法检测曲线分析表

刘江互通立交桥7-5桩在6.6m处取出的芯样

工程名称新郑高速公路刘江互通式立交桥桩

编

号9-1测试桩长44.50m设计桩径1.5m砼

标

号C30灌注日期2002年07月06日检测日期2002年08月25日地质概况1.00-12.30m，亚粘土；12.30-14.20m，亚砂土；14.2-24.0m，细砂；24.0-37.20m，中砂；37.20-41.80m，亚粘土；41.80-52.00m，中砂；52.0-60.00m，细砂；60.0-61.80m，亚粘土；61.80-65.00m，中砂。实测反射波曲线波形分析

该桩超声波法检测结果为Ⅲ类桩，桩身在4.6m-6.0之间2#管周围裹夹泥砂；反射波法检测结果为桩底反射信号较明显，桩身在4.9m处有明显缺陷反射信号。备

注该桩长达44.5m,桩底反射信号还比较清楚，桩身上部缺陷也明显反映出来。表12反射波法检测曲线分析表工程名称新郑高速公路刘江互通式立交桥桩

编

号9-2测试桩长45.50m设计桩径1.5m砼

标

号C30灌注日期2002年07月14日检测日期2002年08月25日地质概况1.00-12.30m，亚粘土；12.30-14.20m，亚砂土；14.2-24.0m，细砂；24.0-37.20m，中砂；37.20-41.80m，亚粘土；41.80-52.00m，中砂；52.0-60.00m，细砂；60.0-61.80m，亚粘土；61.80-65.00m，中砂。实测反射波曲线波形分析

该桩超声波法检测结果为Ⅱ类桩；反射波法检测结果为桩底反射信号比较明显，桩身有轻微不规则反射信号，与超声波法检测结果基本一致。备

注

该桩长达45.5m,还可清楚看出桩底反射信号。表13反射波法检测曲线分析表典型缺陷桩4．反射波法和超声波法的优缺点研究4.1超声波法的优缺点优点

（1）判定桩身缺陷的准确性高，这其中包括缺陷的性质（断桩、夹杂、混凝土离析、混凝土密实度差等）和缺陷的位置（距桩顶高度、在桩身截面分布）以及缺陷的大小；（2）当一条桩在不同高度和不同截面位置有多处缺陷时，检测过程互不影响，可以分别准确检测出来；（3）对桩身缺陷的判定与地质地貌无任何关系，只与实测声学参数有关，这就使缺陷性质的判定比较容易；（4）适用于检测桩径大于0.8米以上的各种类型灌注桩，对桩长没有限制，因此是长大桩完整性检测的唯一最有效的方法。

缺点

（1）需要预埋声测管，这既增加了工程造价，又给施工带来了许多麻烦；（2）当声测管由于各种原因堵塞后，检测无法进行；（3）现场检测工作量大，工作效率低；（4）数据处理工作量大，必须借助相应分析处理软件。4.2反射波法的优缺点

优点（1）现场检测工作量小，工作效率高；（2）对桩的施工过程不增添任何工序，不需要预埋声测管，因此不会增加工程造价；（3）数据处理比较快捷；（4）当桩身缺陷位置不很深时（其深度与地质情况比较密切），反射波法能检测出缺陷的存在。

缺点

（1）仅测出广义波阻抗的相对变化，可以区分缩颈类与扩颈类，

也可以计算缺陷位置，但却不能确定缺陷性质、缺陷方位；（2）缺陷程度的定量分析很难达到理想效果，目前定量分析仍仅仅停留在指导阶段，缺陷程度也只能定性给出；（3）波速与振源频率和混凝土强度间的关系无法准确给出，尚无理想的波速计算公式，而依据施工桩长计算波速的办法存在很多具体问题，因此缺陷位置的判断仍有10%左右的误差；

（4）加速度计对于长径比超过一定限度的桩、极浅部或太小的缺陷，应力波反射法无法正确测量。现有的测试理论和技术都难以解决这些问题。高频信号传不下去，测试范围有限；低频信号分辨率不够，容易形成绕射，漏判缺陷等等；（5）桩身存在多个缺陷时，互相干扰，深部缺陷容易误判。

5．采用反射波法时有关测试技术研究5.1调试仪器

仪器参数设置

仪器参数设置十分重要，如果设置不当，就会影响到信号(时域或频域)的分辨率、真实性与代表性。一般来说：

(1)模拟滤波频率以高通≤2500Hz，低通≥10Hz为宜；

(2)信号放大以正常接收且不削波为宜；

(3)

时域分析时采样间隔不宜高于50μs(也就是采样频率应大于20000Hz),频域分析时采样间隔则宜为100-200μs(也就是采样频率为5000～10000Hz)。传感器选择传感器是安装在被检桩顶面用以接收桩身和桩端反射波信号的重要器件，其性能评价的主要指标为频响特性、稳定性、量程、灵敏度等。速度传感器由于生产工艺等方面的原因，其高频响应受到限制，动测时传感器的安装刚度会导致强烈的谐振，使传感器的可测范围变窄而影响检测效果。目前基桩动测所使用的传感器主要是压电式加速度传感器，它无论从频响还是输出特性方面均有较大的优点，更适合于低应变反射波法测桩。传感器参数选择

(1)对于内装式加速度计而言，如用于普通中短桩测试以100mV/g为宜，而对于25m以上的长大桩，则宜用500mV/g；

(2)对于速度计而言，灵敏度大约为280mV/cm/s，固有频率为10～28Hz，阻尼系数为ξ=0.6～1.0。加速度计性能好坏的鉴定方法加速度计的好坏主要指其频响特性、漂移特性、量程、灵敏度、分辨率以及稳定性等方面。将仪器的采样间隔打至≥200us，传感器良好地固接在一大基座（宽而厚实的水泥墩）上，用锤轻击基座，观察仪器记录的原始记录，如尾部（200ms以后）信号的幅值能限制在1mV以内，该传感器的漂移特性和分辨率方面即能满足要求，而且幅值越低，分辨率越高，越能检测到长桩桩底和深部缺陷。速度计性能好坏的鉴定方法安装谐振频率的大小是用于判断速度计测试效果好坏的主要指标。先用铁锤敲击，如果速度计的谐振频率低于1200Hz，便不合要求，高于1500Hz非常理想。一般谐振频率低的原因均与桩头处理及安装技巧有关。橡皮泥、黄油、凡士林、石膏

5.2处理桩头

桩头处理是现场测试成功关键。如果桩头处理不好，例如有软弱混凝土（或浮浆层），无论用加速度计还是速度计，无论怎样改变振源，其效果都很差。一般来说，桩头应清至出露新鲜含骨料的混凝土面为止，而且尽可能平整，一方面便于传感器安装，另一方面有利于敲击，保护锤头和安装锤垫，桩头破碎、含有松动的堆积物或渍水较多都不好。5.3传感器安装与击振点、激振方式的选择

理论上传感器越轻、越贴近被测物、与被测物之间的接触刚度越大，传递特性就越好，测试信号也越接近于被测物表面的质点振动。选择多个安装面和击振点非常必要，浅部缺陷反射的应力波大小与敲击点和安装点很有关系，当发现浅部有缺陷时，应尽量在各个方位测试一下。多点选择还有利于排除邻近安装与敲击点的局部微小缺陷和其它因素引起的干扰。振源对测试效果的影响也很大，一般来说，锤越重、接触面积越大、材料越软、提升高度越低、桩头龄期越短、敲击越正，振源频率就越低。无论哪种传感器，以低频振源为宜，长桩或深部缺陷用力棒检测，桩越长、缺陷越深，力棒重量就应越大；一般部位则应用尼龙锤或铁锤垫橡皮测试；当发现浅部异常时，最好用小质量铁锤甚至钢筋敲击，借以进一步确定浅部缺陷的程度与部位。5.4击锤质量的选取一般地说，小锤击短桩（＜30m），大锤击长桩，如果用小锤测长桩是不正确的，要想用小锤测到长桩桩底反射是很困难的，因为锤轻能量小，相应桩底反射回来的信号太弱，另外锤轻频率高，而信号频率越高桩土阻尼越大，反射回来的信号极难辨识，测试结果信噪比不够，真实信号被噪声淹没，在这种基础上进行指数放大，企望得到桩底反射，大多数情况下是徒劳的。长大桩测试一般应当用力棒或大铁球激振，能量大、脉冲宽、衰减小、反射强，有时可以得到L=50m以上的桩底反射。同一工地桩身波速平均值的获取方法同一工地完整桩桩身波速平均值的准确取值，是检测分析桩身质量和桩身缺陷的可靠前提。当某根桩露出地面且具有一定高度时，可沿桩长方向且满足量测精度要求的间隔距离安置两个振动传感器，测出该桩段的波速值，并可作为该桩波速的参考取值；当无法获取本工地实测桩身平均波速时，可按类似工程的检测数据或经验取值。

关于信号振荡问题产生信号振荡的原因是多方面的，有振源引起的，有安装引起的，有桩身浅部缺陷引起的，也有50Hz干扰引起的低频振荡，原始加速度信号，一般有振荡存在。无论速度计和加速度计，只有当传感器的安装谐振频率Fn和振源脉冲宽τ0的乘积η=τ0·Fn大于一定数值（1.5～3）时,

与被测对象无关的振源才不会发生。5.6提高分析判定准确性的其他方法

结合地质资料、施工记录分析基桩完整性。桩型、施工工艺对基桩的完整性以及缺陷类型影响很大。预制桩、人工挖孔桩不可能缩颈，许多质量事故都发生在流水处或地层变化处，急剧变化的地层本身也会产生回波等等。查看地质资料对确定缺陷部位、排除地层影响很有必要。

综合分析同一工程的所有被测桩。